超声波强化巴豆酸浸出高炉粉尘中锌的动力学机制与选择性回收研究

本研究针对钢铁工业高炉粉尘(BFD)中锌资源回收率低、传统酸浸选择性差等问题，创新性地采用超声波强化巴豆酸浸出体系。华北理工大学采矿工程学院团队通过多尺度表征结合密度泛函理论(DFT)计算，揭示了超声波空化效应促进颗粒破碎-孔隙扩张的物理机制，实现了锌浸出率92.79%而铁浸出仅15.45%的高选择性回收，为冶金粉尘清洁资源化提供了新策略。

　　

钢铁工业每年产生约1亿吨高炉粉尘(BFD)，这些富含锌(8.04%)和铁(23.24%)的废弃物不仅造成资源浪费，其堆存还会引发重金属污染。传统火法回收存在能耗高、炉结圈等问题，而常规酸浸又面临铁锌分离困难的挑战。针对这些瓶颈，华北理工大学采矿工程学院的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表创新成果，开发了超声波强化巴豆酸浸出新技术，通过40kHz超声波与巴豆酸的协同作用，在分子尺度揭示了选择性浸出机制，为冶金固废资源化提供了"绿色化学"解决方案。

研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)等表征手段，结合动力学建模和密度泛函理论(DFT)计算。通过设计超声波功率梯度实验(0-300W)和温度控制体系(20-50℃)，系统考察了工艺参数对浸出效率的影响；利用Materials Studio软件构建ZnO(100)和Fe₂O₃(001)晶面模型，计算了巴豆酸在不同矿物表面的吸附能差异。

3.1 材料表征分析
XRF和XRD显示BFD中锌主要以红锌矿(ZnO)形式存在，平均粒径46.99μm且呈现团聚态。SEM-EDS元素面扫证实锌铁元素与氧分布高度重合，为后续选择性浸出提供理论基础。

3.2 浸出实验优化
在240W超声波功率、1mol/L巴豆酸浓度条件下，锌浸出率较常规浸出提升16.4%。温度实验显示40℃时锌浸出率达91.62%，而50℃时因试剂挥发导致效率下降，体现超声波降低反应活化能的优势。

3.3 动力学机制
收缩核模型拟合表明，常规浸出受化学反应控制(E_a=60.34kJ/mol)，而超声波浸出转为混合控制(E_a降至31.73kJ/mol)。反应级数分析显示超声波体系符合一级反应特征，证实空化效应加速了界面传质过程。

3.4 多尺度表征
超声波浸出残渣的BJH孔径分布显示最大脱附孔径从38.21nm增至52.40nm，SEM观察到表面裂纹显著增加。粒子计数器测得D₅₀从34.94μm降至18.39μm，证实超声波通过微射流效应破碎颗粒团聚体。

3.5 DFT理论验证
静电势分析表明巴豆酸羧基氧原子是活性位点，其与ZnO(100)面的Zn-O距离缩短至1.931?，相互作用能(-74.96kJ/mol)显著强于Fe₂O₃(-10.97kJ/mol)，从电子结构层面解释了锌的选择性浸出机制。

该研究通过"工艺-表征-计算"三位一体的研究策略，不仅开发出锌回收率>92%的清洁工艺，更创新性地揭示了超声波协同有机酸的选择性浸出原理。研究提出的双频超声波-微波耦合、脉冲智能控制等产业化方向，为冶金固废资源化提供了兼具理论基础和技术可行性的解决方案，对实现钢铁行业"双碳"目标具有重要实践意义。